Bằng chứng di truyền học về mã bộ ba Năm 1961, S.Bremner, F.Crick và L.Barnett đã phân tích chi tiết nhiều thê đột biến của phage T4 nhận được băng cách xử lý acridin, tác nhân gây các đ
Trang 1Ma di truyén
Gene (DNA) được cấu tạo từ bốn loại nucleotide, trong khi đó protein
được cấu tạo bởi 20 loại amino acid Vậy vẫn đề đặt ra là, các gene ma
hóa cho các sản phẩm protein của chúng bằng cách nào?
Băng suy luận, ta có thé suy đoán rắng mỗi amino acid không thể được
xác định bởi đơn vị mã gồm một, hai hoặc bốn nucleotide (vì 4Ì= 4 hoặc
4ˆ =16 thì chưa đủ để mã hóa cho 20 amino acid, trong khi 4” = 256 thì lại
dư thừa quá nhiều) mà có lẽ phải là một nhóm gồm ba nucleotide (4” =
64) Với 64 kiểu tổ hợp bộ ba hoá ra là đủ thừa để mã hoá cho 20 loại
amino acid Nếu như thế, một amino acid được xác định bởi trung bình ba
bộ ba khác nhau Vậy phải chăng mã di tryén là mã bộ ba?
1 Bằng chứng di truyền học về mã bộ ba
Năm 1961, S.Bremner, F.Crick và L.Barnett đã phân tích chi tiết nhiều
thê đột biến của phage T4 nhận được băng cách xử lý acridin, tác nhân gây
các đột biến mất hoặc thêm một cặp base (chương 8), da khang dinh ma di
truyền là mã bộ ba (triplet code) đúng như dự đoán Đơn vị mã (coding unit)
gồm ba nucleotide xác định một amino acid như vậy được gọi là codon
2 Giải mã di truyền
Việc tiếp theo là xác định xem mỗi amino acid cụ thể được mã hoá bởi
một hoặc một số bộ ba nào Cũng trong năm 1961, M.Nirenberg và H
Matthaei lần đầu tiên sử dụng mRNA nhân tạo có thành phân base biết
truéc duoc tong hop bang enzyme polynucleotide phosphorylase (do
Ochoa tìm ra năm 1959) và hệ thống tổng hợp là dịch chiết tế bào E coli
bao gồm đây đủ các yêu tố (các ribosome, tRNA, amino acid, enzyme,
ATP ) can thiét cho tién hanh giai ma di truyén in vitro Voi mRNA chi
chita toan U, poly(U), chuỗi polypeptide sinh ra chỉ chứa toàn
phenylalanine (Phe) Điều đó chứng tỏ UUU là bộ ba mã hoá của Phe
Sau đó, Har Gobind Khorana đã tiễn hành các thí nghiệm sử dụng các
mRNA tổng hợp có chứa hai, ba hoặc bốn nucleotide được kết nối theo
kiêu lặp lại như sau:
(1) Với mRNA nhân tạo chứa hai base là poly(UC) hay UCUCUC ,
sé chira hai codon xen ké UCU va CUC (cht y rang su dich ma in vitro
khởi đầu tại vị trí ngẫu nhiên) Kết quả là thu được một polypeptide gồm
hai amino acid xếp xen kẻ nhau là serine và leucine, poly(Ser-Leu)
(2) Với mRNA tổng hợp gồm các bộ ba lặp lại sẽ được dịch thành các
homopolypeptide Ví dụ, poly(UUC) có thể được đọc là (UUC-UUC),
http.//thuviensinhhoc.com
Trang 2hoặc (UCU-UCU), hoặc (CUU-CUU) tùy thuộc vào vi tri bat đầu dịch mã
Và kết quả là có ba loại polypeptide được tổng hợp, poly(Phe) hoặc
poly(Ser) hoặc poly(Leu)
(3) Với mRNA gồm bén nucleotide lặp lại, ví dụ poly(UAUC), thì nó
được dịch thành polypeptide chứa bốn amino acid lặp lại là poly(Tyr-Leu-
Ser-lle) Tuy nhiên, khi sử dụng các poly(GAUA) và poly(GUAA) lại
không cho kết quả Qua so sánh với hàng loạt kết quả nhận được cho phép
xác định được các codon "vô nghĩa" hay còn gọi là các tín hiệu kết thúc
Từ các kết quá thu được như vậy Khorana đã xác định được 'nghĩa' của
phan lớn codon có thành phần base không đồng nhất, và việc giải toàn bộ
hệ thống zmã đi truyền (genetic code) được hoàn thành vào tháng 6/1966
Với công lao to lớn đó Khorana và Nirenberg được trao giải thưởng Nobel
năm 1968 Từ đây cho phép xây dựng nên bảng mã di truyền (Bảng 6.2)
và rút ra được các đặc tính của mã như được trình bày dưới đây
Bảng 6.2 Mã di truyền (cho các codon trên mRNA theo chiều 5'—›3')
3 Các đặc tính của mã di truyền
- Mã di truyền là mã bộ ba (trrplet code), nghĩa là một bộ ba
nucleotide kê tiêệp mã hoá cho một amino acid Các bộ ba trên gene va
mRNA gọi là codon (mã) và bộ ba đặc trưng của tRNA có thê khớp với
codon cua mRNA theo nguyén tac bô sung gọi là anticodon (d01i mãi)
- Mã di truyền không gối lên nhau (non-overlapping): Mỗi codon là một
đơn vị độc lập, và thông tin của mRNA được đọc theo một chiêu 5 —›3'
(hinh 6.10) bat dau tir codon khởi đâu
http.//thuviensinhhoc.com
Trang 3
—- T7 ©=
U cA arteoden AUG
A G U codon `
i eee B`
Hinh 6.10 Cac phan ti tRNA mang amino acid Ser (trai) va Tyr (phai) đọc
mã trên mRNA băng cách khớp anficodon của chúng với codon cia MRNA
- Mã di truyền có tính liên tục, không bị ngắt quãng (unpunctuated):
Nghĩa là không có khoảng hở giữa các codon
- Mã di truyền có các codon khởi đẩu (iniiation) và kết thúc
(termmation) năm ở gần hai đâu Š' và 3' của mRNA đóng vai trò là tín hiệu
khởi đâu và kết thúc tông hợp chuỗi polypeptide Codon khoi dau AUG quy
định amrno acid mở đâu chuỗi polypeptide là methionine (ở vi khuân là N-
formyl-methionine) Cac codon két thic (UAA,UAG hoacUGA) khong xac
dinh amino acid nao nén con goi 1a cac codon vé nghia (nonsense codon)
- Mã đi truyền có tính đơn Ørị, rõ ràng (unambigous): Mỗi codon xác
định một amino acid duy nhật, hoặc xác định sy ket thúc dịch mã
— Mã di truyền có tính /hoái hóa (degenerate): Có 61 codon có nghĩa
(sense codon) trong khi chi có 20 loai amino acid; vi vay moi amino acid
(hay tín hiệu kêt thúc) có thê được xác định bởi nhiêu hơn một codon Các
codon cùng xác định một amino acid như thê gọi là các codon đông nghĩa;
chúng thường khác nhau ở base cuôi, base 3' đó được gọi là base thoái hóa
VÍ dụ, các ammo acid Arg, Ser và Leu môi cái có tới sáu codon đông nghĩa;
Ala, Gly, Pro, Thr và Val mỗi cái có bôn codon đông nghĩa (xem Bảng 6.2)
- Mã di truyền có tính phố biến (universal), nghĩa là thông nhất cho toàn
bộ sinh giới
4 Những ngoại lệ so với mã di truyền "phố biến"
Bên cạnh tính phổ biến (universal) của hệ thông mã di truyền nói trên,
các nghiên cứu gân đây cho thây một vài chệch hướng mà hâu hêt là xảy
ra trong các bộ gene ty thê (Bảng 6.3) Tuy nhiên, ở các bào quan thực vật,
Bảng 6.3 Các ngoại lệ so với mã "phố biến"
Nguôn Codon Nghĩa phô biến Nghĩa mới
http.//thuviensinhhoc.com
Trang 4Ty thé déng vatc6vi AGA&AGG Arginine Ké thuc
*(N=U,C, A hoặc G) AUA Isoleucine Methionine
Cac nhan Protozoa UAA&UAG Két thc Glutamine
sự biên tập RNA (RNA editing) la phố biến và không rõ ràng, ở chỗ: Liệu
phải chăng, tắt cả các trường hợp sai lệch so với mã phô biến ở thực vật là
các biến đổi thật hay là hậu quả của sự biên tập RNA trước khi dịch mã
Một vài thay đối thỉnh thoảng cũng xảy ra ở các bộ gene vi khuẩn và bộ
gene nhân của các eukaryote, nhưng thường thì liên quan với các codon
kết thúc Sự phân bố phát sinh chủng loại của các thay đổi này chỉ ra rằng
mã di truyền vẫn còn đang tiễn hóa
5 Su linh hoạt trong việc kết cặp anficodon-codon
Mặc dù có 6l codon có nghĩa nhưng trên thực tế trong mỗi tế bào
prokaryote và eukaryote chỉ có khoảng 45 phân tử tRNA khác nhau Tuy
nhiên, trong tế bao chi co 20 loai amino acid được xác định boi ma di
truyền, nên một số loại tRNA phải mang cùng một loai amino acid Cac
bản sao tRNA như thế có thể có trình tự anticodon giống nhau, trong
trường hợp đó chúng có thể thay thế chức năng cho nhau Các tRNA khác
thì mang các trình tự anticodon khác nhau và do vậy nhận biết các codon
khác nhau; chúng được gọi là isoaccepting tRNA, va 46 giau tuong doi cua
chúng có thể ảnh hưởng tới cách thức sử dụng codon
Bảng 6.4 Các nguyên tắc kết cặp linh hoạt anticodon-codon
Base 5' cua anticodon Base 3' cua codon
G C hoặc U
U A hoac G
Năm 1966, F.Crick đưa ra một cách để giải thích về sự kết cặp "lỏng
léo" có thể xảy ra ở vị trí thứ ba của các codon đồng nghia Theo Crick,
hai base đầu tiên của một codon phải có sự kết cặp chính xác với anticdon
(theo nguyén tac b6 sung), con base cudi cua codon thi cé thé "Jinh hoạt"
(wobble), it dac thu hon so với vị trí bình thường của nó để hình thành nên
http.//thuviensinhhoc.com
Trang 5sự kết cặp base bất thường với anticodon Đề nghị này được gọi là giá
thuyết linh hoạt (wobble hypothesis) Đăc biệt, Crick đề nghị rằng một
base G trong anticodon có thê cặp không chỉ với C ở vị trí thứ ba của một
codon (vi trí lĩnh hoạt), mà còn với Ù Hơn nữa, Crick còn lưu ý rằng một
trong sô các nucleoside bất thường có mặt trong tRNA 1a inosine (I), von
có câu trúc tương tự với guanosine Nucleoside này thông thường có thé
kết cặp như G, vì vậy ta kỳ vọng nó sẽ cặp với C (kết cặp base bé sung)
hoặc U (kết cặp base lĩnh hoạt) ở vị trí thu ba cua mot codon Nhưng ông
con luu y rang inosine vẫn còn có thể có kiểu kết cặp linh hoạt khác, bây
giờ ta biết đó là cặp với A ở vị trí thứ ba của codon Điều đó có nghĩa là,
một anticodon có I ở vị trí thứ nhất về tiềm năng có thể cặp với ba codon
khác nhau có base cuối là C, U hoặc A Các thí nghiệm sau này khang
định điều dự đoán của Crick là hoàn toàn đúng và liệt kê các khả năng kết
cặp base linh hoạt như ở Bảng 6.4
Rõ ràng là, hiện tượng kết cặp linh hoạt này làm giảm đáng kế số
lượng các tRNA cần thiết để dịch mã di truyền Ví dụ, để dịch mã các
codon (5—>3) UUU và UUC mã hoá cho phenylalanine chi can một
tRNA”” mang anticodon (3'35') AAG
http.//thuviensinhhoc.com